KR101951047B1 - 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 및 탈거 장치 - Google Patents

화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 및 탈거 장치 Download PDF

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Abstract

이 발명은, 리보일러에서 나오는 스팀 응축수 및 탈거탑에서 나오는 고온 흡수제의 열을 활용하여 공정 효율을 높임으로써 탈거탑에 들어가는 흡수제의 주입 온도를 상승시킬 수 있으며, 탈거탑의 온도를 높게 유지시킬 수 있어 재생에너지 사용량 및 탈거탑의 크기를 줄일 수 있는, 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 및 탈거 장치에 관한 것으로서,
배가스의 이산화탄소를 흡수제와 결합시킴으로써 제거하는 흡수탑과, 이산화탄소를 흡수한 흡수제를 일시적으로 저장하여 기-액 분리하는 제1 기액분리장치와, 상기한 제1 기액분리장치로부터 공급되는 액체를 열교환하기 위한 제1 열교환기와, 상기 제1 열교환기로부터 공급되는 흡수제를 열교환하기 위한 제3 열교환기와, 열교환된 흡수제에 화학적으로 결합되어 있는 이산화탄소를 탈거시키기 위한 탈거탑과, 탈거탑으로부터 배출되어 제1 열교환기를 거쳐서 입력되는 이산화탄소와 수증기의 혼합가스를 응축시키기 위한 응축기와, 응축기에 연결되어 응축수를 분리해서 탈거탑으로 다시 공급하는 제2 기액분리장치와, 탈거탑에 열에너지를 공급하는 리보일러와, 상기한 리보일러에 연결되어 있는 제3 기액분리장치와, 탈거탑으로 부터 이산화탄소가 탈거된 재생 흡수제를 기액분리하기 위한 제4 기액분리장치와, 상기 제4 기액분리장치로부터 펌프에 의해 제3 열교환기를 거쳐서 공급되는 재생 흡수제를 흡수탑 수준의 온도로 낮추어서 흡수탑으로 공급하는 냉각기를 포함하여 이루어진다.

Description

화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 및 탈거 장치{Apparatus for capturing CO2 using chemical solvent}
이 발명은 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 및 탈거 장치에 관한 것으로서, 좀더 세부적으로 말하자면 리보일러에서 나오는 스팀 응축수 및 탈거탑에서 나오는 고온 흡수제의 열을 활용하여 공정 효율을 높임으로써 탈거탑에 들어가는 흡수제의 주입 온도를 상승시킬 수 있으며, 탈거탑의 온도를 높게 유지시킬 수 있어 재생에너지 사용량 및 탈거탑의 크기를 줄일 수 있는, 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 및 탈거 장치에 관한 것이다.
최근 지구온난화의 원인 물질인 온실가스를 포집하고 저장하는 노력이 국제적으로 경주되고 있다. 특히 온실가스 중 산성가스인 이산화탄소를 줄이기 위하여 화학적 흡수법, 흡착법, 막분리법, 심냉법 등 많은 기술이 개발되고 있다.
화력발전소 등 연소설비에서 발생하는 산성가스인 이산화탄소를 제거하기 위하여 사용되는 흡수제를 이용한 화학적 흡수방법은 높은 효율과 안정적인 기술로 가장 많이 연구되고 있다. 이산화탄소를 포집하기 위한 아민계 포집공정은 화학적 흡수기술의 일종으로서, 석유화학 공정 중 개질공정에서 적용된 바 있는 기술적 신뢰성이 확보된 기술이지만, 석유 화학 공정 가스가 아닌 연소 배가스에 적용하기 위해서는 공정의 개선이 필요한 분리기술이다.
도 1은 종래의 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 및 탈거 장치의 구성도이다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 종래의 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 및 탈거 장치는, 배가스(9a)의 이산화탄소를 흡수제(9c)와 결합시킴으로써 제거하는 흡수탑(9)과, 이산화탄소를 흡수한 흡수제(9d)를 펌프(5)를 거쳐서 입력받아서 열교환하기 위한 열교환기(10)와, 열교환된 흡수제(11a)에 화학적으로 결합되어 있는 이산화탄소를 탈거시키기 위한 탈거탑(11)과, 탈거탑(11)으로부터 배출되는 이산화탄소와 수증기의 혼합가스(11b)를 응축시키기 위한 응축기(13)와, 응축기(13)에 연결되어 응축수(11c)를 분리해서 탈거탑(11)으로 다시 공급하는 기액분리장치(15)와, 탈거탑(11)에 열에너지를 공급하는 리보일러(12)와, 탈거탑(11)으로부터 펌프(6)에 의해 열교환기(10)를 거쳐서 공급되는 이산화탄소가 탈거된 재생 흡수제(11f)를 흡수탑 수준의 온도로 낮추어서 흡수탑(9)으로 공급하는 냉각기(14)를 포함하여 이루어진다.
상기한 종래의 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 및 탈거 장치의 작용은 다음과 같다.
냉각된 배가스(9a)가 흡수탑(9)으로 유입되어 40~60℃의 온도에서 흡수제(9c)와 접촉되며, 이 과정에서 이산화탄소는 흡수제(9c)와 결합되어 제거된다.
이와 같이 이산화탄소가 제거된 배가스(9b)는 펌프(3)에 의해 순환되는 세척수를 이용하여 흡수제 또는 증기가 비말되는 것이 방지되면서 흡수탑(9)으로부터 배출된다. 배가스(9b)의 이산화탄소의 농도는 흡수제(9c)와의 화학 반응으로 감소시킬 수 있지만, 낮은 이산화탄소 농도를 유지하기 위해서는 흡수탑(9)이 높아져야 한다. 흡수탑(9)의 운전온도는 흡수제의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들어 40℃ 내지 60℃의 범위로 유지될 수 있다.
흡수탑(9)에서 화학적 결합에 의해 이산화탄소를 흡수한 흡수제(9d)는 펌프(5)를 통해 열교환기(10)로 전달되어 열교환기(10)에 의해서 가열되며, 이와 같이 열교환기(10)에 의해 가열된 흡수제(11a)는 탈거탑(11)의 상부로 주입된다.
탈거탑(11)에서는 높은 온도(110-140℃) 및 대기압 정도의 압력에서 흡수제(11a)의 재생이 수행된다. 이와 같은 고온의 재생 조건을 유지하기 위하여 터빈 수증기 등의 열원이 리보일러(12)로부터 공급되며, 이 과정에서 열에너지가 소모된다. 탈거탑(11)으로 공급되는 열에너지는 흡수제(11a)에 화학적으로 결합되어 있는 이산화탄소를 탈거시킨다.
이와 같이 흡수제(11a)로부터 탈거된 이산화탄소와 수증기의 혼합가스(11b)는 응축기(13)에서 응축되고, 기액분리장치(15)에서 이산화탄소 가스와 응축수(11c)로 분리된 후, 응축수(11c)는 탈거탑(11)으로 다시 공급된다.
이산화탄소가 탈거된 재생 흡수제(11f)는 펌프(6)에 의해 열교환기(10)로 공급되고, 열교환기(10)를 거쳐서 냉각기(14)에 의해 흡수탑 수준의 온도로 낮추어 흡수탑(9)으로 이송된다.
그러나, 상기한 바와 같은 종래의 이산화탄소의 흡수 및 탈거 장치는, 흡수제의 재생을 위해 많은 에너지가 소모되므로 재생에너지를 줄이기 위한 흡수제와 관련 공정의 개발이 절실히 요구되고 있으며, 특히 탈거 공정의 흐름을 최적화하여 가장 경제적인 이산화탄소 흡수효율을 얻고자 하는 연구가 많은 연구자에 의해 이루어지고 있다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로서, 리보일러에서 나오는 스팀 응축수 및 탈거탑에서 나오는 고온 흡수제의 열을 활용하여 공정 효율을 높임으로써 탈거탑에 들어가는 흡수제의 주입 온도를 상승시킬 수 있으며, 탈거탑의 온도를 높게 유지시킬 수 있어 재생에너지 사용량 및 탈거탑의 크기를 줄일 수 있는, 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 및 탈거 장치를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 이 발명의 구성은, 배가스의 이산화탄소를 흡수제와 결합시킴으로써 제거하는 흡수탑과, 이산화탄소를 흡수한 흡수제를 일시적으로 저장하여 기-액 분리하는 제1 기액분리장치와, 상기한 제1 기액분리장치로부터 공급되는 액체를 열교환하기 위한 제1 열교환기와, 상기 제1 열교환기로부터 공급되는 흡수제를 열교환하기 위한 제3 열교환기와, 열교환된 흡수제에 화학적으로 결합되어 있는 이산화탄소를 탈거시키기 위한 탈거탑과, 탈거탑으로부터 배출되어 제1 열교환기를 거쳐서 입력되는 이산화탄소와 수증기의 혼합가스를 응축시키기 위한 응축기와, 응축기에 연결되어 응축수를 분리해서 탈거탑으로 다시 공급하는 제2 기액분리장치와, 탈거탑에 열에너지를 공급하는 리보일러와, 상기한 리보일러에 연결되어 있는 제3 기액분리장치와, 탈거탑으로 부터 이산화탄소가 탈거된 재생 흡수제를 기액분리하기 위한 제4 기액분리장치와, 상기 제4 기액분리장치로부터 펌프에 의해 제3 열교환기를 거쳐서 공급되는 재생 흡수제를 흡수탑 수준의 온도로 낮추어서 흡수탑으로 공급하는 냉각기를 포함하여 이루어지면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기 제1 열교환기로부터 공급되는 흡수제를 열교환하기 위한 제2 열교환기를 더 포함하여 이루어지면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 탈거탑의 흡수제를 재 가열해주기 위한 제4 열교환기를 더 포함하여 이루어지면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 제1 기액분리장치와 제1 열교환기의 사이에 설치되는 제1 필터를 더 포함하여 이루어지면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 냉각기와 흡수탑의 사이에 설치되는 제2 필터를 더 포함하여 이루어지면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 제1 열교환기는 이산화탄소를 흡수한 흡수제를, 탈거탑에서 수분과 함께 나오는 70 ℃ 이산화탄소를 이용하여 열교환을 하면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 제2 열교환기는 이산화탄소를 흡수한 흡수제를, 리보일러에서 사용한 스팀을 제3 기액분리장치를 통해 얻어진 응축수를 이용하여 열교환을 하면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 제3 열교환기는 이산화탄소를 흡수한 흡수제를, 탈거탑에서 나오는 고온의 재생 흡수제를 이용하여 제4 기액 분리장치를 거쳐서 열교환을 하면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 제4 열교환기는 탈거탑으로 입력된 흡수제를, 리보일러에서 사용한 스팀을 제3 기액분리장치를 통해 얻어진 응축수를 이용하여 열교환을 하면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 흡수제는 아민계, 아미노산염, 무기염류 용액, 암모니아수 중에서 선택되는 어느 하나 또는 그 혼합을 사용하면 바람직하다.
이 발명은, 리보일러에서 나오는 스팀 응축수 및 탈거탑에서 나오는 고온 흡수제의 열을 활용하여 공정 효율을 높임으로써 탈거탑에 들어가는 흡수제의 주입 온도를 상승시킬 수 있으며, 탈거탑의 온도를 높게 유지시킬 수 있어 재생에너지 사용량 및 탈거탑의 크기를 줄일 수 있는, 는 효과를 갖는다.
도 1은 종래의 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 및 탈거 장치의 구성도이다.
도 2는 이 발명의 제1 실시예에 따른 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 및 탈거 장치의 구성도이다.
도 3은 이 발명의 제2 실시예에 따른 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 및 탈거 장치의 구성도이다.
이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 이 발명의 목적, 작용, 효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 동작상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.
참고로, 여기에서 개시되는 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 실시예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 제시된 실시예에만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 부가 및 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시예가 가능함을 밝혀 둔다.
또한, 본원의 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 정의된 것으로서, 통상적이거나 사전적인 의미로만 한정해서 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 일예로서, 방향에 관한 용어는 설명상의 편의를 위하여 도면상에 표현된 위치를 기준으로 설정하기로 한다.
도 2는 이 발명의 제1 실시예에 따른 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 및 탈거 장치의 구성도이다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 이 발명의 제1 실시예에 따른 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 및 탈거 장치의 구성은, 배가스(9a)의 이산화탄소를 흡수제(9c)와 결합시킴으로써 제거하는 흡수탑(9)과, 이산화탄소를 흡수한 흡수제(9d)를 펌프(5)를 거쳐서 입력받아서 일시적으로 저장하여 기-액 분리하는 제1 기액분리장치(20)와, 상기한 제1 기액분리장치(20)로부터 공급되는 액체를 열교환하기 위한 제1 열교환기(1)와, 상기한 제1 기액분리장치(20)와 제1 열교환기(1)의 사이에 설치되는 제1 필터(19)와, 상기 제1 열교환기(1)로부터 공급되는 흡수제를 열교환하기 위한 제2 열교환기(2)와, 상기 제2 열교환기(2)로부터 공급되는 흡수제를 열교환하기 위한 제3 열교환기(16)와, 3차에 걸쳐서 열교환된 흡수제(11a)에 화학적으로 결합되어 있는 이산화탄소를 탈거시키기 위한 탈거탑(11)과, 탈거탑(11)으로부터 배출되어 제1 열교환기를 거쳐서 입력되는 이산화탄소와 수증기의 혼합가스(11b)를 응축시키기 위한 응축기(13)와, 응축기(13)에 연결되어 응축수(11c)를 분리해서 탈거탑(11)으로 다시 공급하는 제2 기액분리장치(15)와, 탈거탑(11)에 열에너지를 공급하는 리보일러(12)와, 상기한 리보일러(12)에 연결되어 있는 제3 기액분리장치(23)와, 탈거탑(11)으로 부터 이산화탄소가 탈거된 재생 흡수제(11f)를 기액분리하기 위한 제4 기액분리장치(21)와, 상기 제4 기액분리장치(21)로부터 펌프(6)에 의해 제3 열교환기(16)를 거쳐서 공급되는 재생 흡수제(11f)를 흡수탑 수준의 온도로 낮추어서 흡수탑(9)으로 공급하는 냉각기(14)와, 상기한 냉각기(14)와 흡수탑(9)의 사이에 설치되는 제2 필터(18)를 포함하여 이루어진다.
상기한 제1 열교환기(1)는 이산화탄소를 흡수한 흡수제(9d)를, 탈거탑(11)에서 수분과 함께 나오는 70 ℃ 이산화탄소를 이용하여 열교환을 하는 구조로 이루어진다.
상기한 제2 열교환기(2)는 이산화탄소를 흡수한 흡수제(9d)를, 리보일러(12)에서 사용한 스팀을 제3 기액분리장치(23)를 통해 얻어진 응축수를 이용하여 열교환을 하는 구조로 이루어진다.
상기한 제3 열교환기(16)는 이산화탄소를 흡수한 흡수제(9d)를, 탈거탑(11)에서 나오는 고온의 재생 흡수제(11f)를 이용하여 제4 기액 분리장치(21)를 거쳐서 열교환을 하는 구조로 이루어진다.
상기한 흡수제(9c)는 아민계, 아미노산염, 무기염류 용액, 암모니아수 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
상기한 구성에 의한, 이 발명의 제1 실시예에 따른 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 및 탈거 장치의 작용은 다음과 같다.
냉각된 배가스(9a)가 흡수탑(9)으로 유입되어 40~60℃의 온도에서 흡수제(9c)와 접촉되며, 이 과정에서 이산화탄소는 흡수제(9c)와 결합되어 제거된다. 흡수탑(9)에는 흡수제(9c)와 배가스(9a)의 접촉 증대를 위해 적어도 하나, 바람직하게는 2개 이상의 충전층이 설치될 수 있다.
이산화탄소를 포함하고 있는 화학공정가스 및 연소 배가스가 흡수탑(9)에 의해 발생되는 압력강하를 극복하기 위하여 팬을 이용하여 배가스 냉각기로 보내지고 냉각된 배가스(9a)는 흡수탑(9)으로 유입되어 40-60 ℃의 온도에서 흡수제와 접촉되면, 이 과정에서 배가스(9a)중 이산화탄소는 흡수제(9c)에 흡수된다.
이와 같이 이산화탄소가 제거된 배가스(9b)는 펌프(3)에 의해 순환되는 세척수를 이용하여 흡수제 또는 증기가 비말되는 것이 방지되면서 흡수탑(9)으로부터 배출된다. 배가스(9b)의 이산화탄소의 농도는 흡수제(9c)와의 화학 반응으로 감소시킬 수 있지만, 낮은 이산화탄소 농도를 유지하기 위해서는 흡수탑(9)이 높아져야 한다.
흡수탑(9)에서 화학적 결합에 의해 이산화탄소를 흡수한 흡수제(9d)는 펌프(5)에 의해 제1 기액분리장치(20)로 전달되고, 제1 기액분리장치(20)와 필터(19)를 통과한 흡수제(9d)는 제1 열교환기(1)에서 탈거탑(11)의 상부에서 나오는 70℃ 기상과 열교환되어 기상에 포함된 수분이 냉각된다.
다음에, 제2 열교환기(2)는 상기 제1 열교환기(1)로부터 공급되는 흡수제를, 탈거탑(11)에서 사용한 후 제3 기액분리장치(23)를 통과한 스팀의 응축수(3kg/cm2(g), 100~105℃)를 이용하여 열교환을 한다.
이어서, 제3 열교환기(16)는 상기 제2 열교환기(2)로부터 공급되는 흡수제를, 탈거탑(11)의 하부에서 나오는 고온(110~120℃)의 재생 흡수제(11f)를 제4 기액분리장치(21)를 통과시켜서 열교환을 한다.
이와 같이 3차에 걸쳐서 열교환된 흡수제(11a)는 탈거탑(11)으로 입력되어 탈거탑(11)에서 높은 온도(110-140℃) 및 대기압 정도의 압력에서 재생이 수행된다. 이와 같은 고온의 재생 조건을 유지하기 위하여 열이 리보일러(12)로부터 공급되며, 이 과정에서 열에너지가 소모된다. 탈거탑(11)으로 공급되는 열에너지는 흡수제(11a)에 화학적으로 결합되어 있는 이산화탄소를 탈거시킨다.
이와 같이 흡수제(11a)로부터 탈거된 이산화탄소와 수증기의 혼합가스(11b)는 제1 열교환기(1)를 거쳐서 응축기(13)에서 응축되고, 제2 기액분리장치(15)에서 이산화탄소 가스와 응축수(11c)로 분리된 후, 응축수(11c)는 탈거탑(11)으로 다시 공급된다.
이산화탄소가 탈거된 재생 흡수제(11f)는 제4 기액분리장치(21)를 거쳐서 펌프(6)에 의해 제3 열교환기(16)로 공급되고, 냉각기(14)와 제2 필터(18)를 거쳐서 흡수탑(9)으로 이송된다.
본 발명의 제1 실시예에서는, 30wt%의 모노에탄올아민을 흡수제로 이용하여 이산화탄소인 15 vol%의 이산화탄소를 포함하고 있는 40℃로 조절된 연소배가스를 2.0m3유량으로 흡수탑(9)의 하부에 투입하였다. 흡수제의 순환량은 100ml/min, 흡수탑에 투입되는 흡수제의 온도는 40 ℃로 하였다. 그리고, 흡수탑(9)으로 들어오기 전과 흡수탑(9)을 거친 배가스의 이산화탄소 농도를 가스 분석기를 이용하여 측정하여 이산화탄소 제거율이 90%일 때의 이산화탄소 포집량(ton)당 리보일러(12)의 열사용량을 계산한 바, 냉각수 순환량이 410cc/mm일때 리보일러(12)의 열사용량은 3.40GJ/ton-CO2)이었다.
도 3은 이 발명의 제2 실시예에 따른 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 및 탈거 장치의 구성도이다.
도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 이 발명의 제2 실시예에 따른 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 및 탈거 장치의 구성은, 배가스(9a)의 이산화탄소를 흡수제(9c)와 결합시킴으로써 제거하는 흡수탑(9)과, 이산화탄소를 흡수한 흡수제(9d)를 펌프(5)를 거쳐서 입력받아서 일시적으로 저장하여 기-액 분리하는 제1 기액분리장치(20)와, 상기한 제1 기액분리장치(20)로부터 공급되는 액체를 열교환하기 위한 제1 열교환기(1)와, 상기한 제1 기액분리장치(20)와 제1 열교환기(1)의 사이에 설치되는 제1 필터(19)와, 상기 제1 열교환기(1)로부터 공급되는 흡수제를 열교환하기 위한 제3 열교환기(16)와, 2차에 걸쳐서 열교환된 흡수제(11a)에 화학적으로 결합되어 있는 이산화탄소를 탈거시키기 위한 탈거탑(11)과, 탈거탑(11)의 흡수제를 재 가열해주기 위한 제4 열교환기(24)와, 탈거탑(11)으로부터 배출되어 제1 열교환기를 거쳐서 입력되는 이산화탄소와 수증기의 혼합가스(11b)를 응축시키기 위한 응축기(13)와, 응축기(13)에 연결되어 응축수(11c)를 분리해서 탈거탑(11)으로 다시 공급하는 제2 기액분리장치(15)와, 탈거탑(11)에 열에너지를 공급하는 리보일러(12)와, 상기한 리보일러(12)에 연결되어 있는 제3 기액분리장치(23)와, 탈거탑(11)으로 부터 이산화탄소가 탈거된 재생 흡수제(11f)를 기액분리하기 위한 제4 기액분리장치(21)와, 상기 제4 기액분리장치(21)로부터 펌프(6)에 의해 제3 열교환기(16)를 거쳐서 공급되는 재생 흡수제(11f)를 흡수탑 수준의 온도로 낮추어서 흡수탑(9)으로 공급하는 냉각기(14)와, 상기한 냉각기(14)와 흡수탑(9)의 사이에 설치되는 제2 필터(18)를 포함하여 이루어진다.
상기한 제1 열교환기(1)는 이산화탄소를 흡수한 흡수제(9d)를, 탈거탑(11)에서 수분과 함께 나오는 70 ℃ 이산화탄소를 이용하여 열교환을 하는 구조로 이루어진다.
상기한 제3 열교환기(16)는 이산화탄소를 흡수한 흡수제(9d)를, 탈거탑(11)에서 나오는 고온의 재생 흡수제(11f)를 이용하여 제4 기액 분리장치(21)를 거쳐서 열교환을 하는 구조로 이루어진다.
상기한 제4 열교환기(24)는 탈거탑(11)으로 입력된 흡수제(11a)를, 리보일러(12)에서 사용한 스팀을 제3 기액분리장치(23)를 통해 얻어진 응축수를 이용하여 열교환을 하는 구조로 이루어진다.
상기한 흡수제(9c)는 아민계, 아미노산염, 무기염류 용액, 암모니아수 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
상기한 구성에 의한, 이 발명의 제2 실시예에 따른 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 및 탈거 장치의 작용은 다음과 같다.
냉각된 배가스(9a)가 흡수탑(9)으로 유입되어 40~60℃의 온도에서 흡수제(9c)와 접촉되며, 이 과정에서 이산화탄소는 흡수제(9c)와 결합되어 제거된다.
이산화탄소를 포함하고 있는 화학공정가스 및 연소 배가스가 흡수탑(9)에 의해 발생되는 압력강하를 극복하기 위하여 팬을 이용하여 배가스 냉각기로 보내지고 냉각된 배가스(9a)는 흡수탑(9)으로 유입되어 40-60 ℃의 온도에서 흡수제와 접촉되면, 이 과정에서 배가스(9a)중 이산화탄소는 흡수제(9c)에 흡수된다.
이와 같이 이산화탄소가 제거된 배가스(9b)는 펌프(3)에 의해 순환되는 세척수를 이용하여 흡수제 또는 증기가 비말되는 것이 방지되면서 흡수탑(9)으로부터 배출된다. 배가스(9b)의 이산화탄소의 농도는 흡수제(9c)와의 화학 반응으로 감소시킬 수 있지만, 낮은 이산화탄소 농도를 유지하기 위해서는 흡수탑(9)이 높아져야 한다.
흡수탑(9)에서 화학적 결합에 의해 이산화탄소를 흡수한 흡수제(9d)는 펌프(5)에 의해 제1 기액분리장치(20)로 전달되고, 제1 기액분리장치(20)와 필터(19)를 통과한 흡수제(9d)는 제1 열교환기(1)에서 탈거탑(11)의 상부에서 나오는 70℃ 기상과 열교환되어 기상에 포함된 수분이 냉각된다.
다음에, 제3 열교환기(16)는 상기 제1 열교환기(1)로부터 공급되는 흡수제를, 탈거탑(11)의 하부에서 나오는 고온(110~120℃)의 재생 흡수제(11f)를 제4 기액분리장치(21)를 통과시켜서 열교환을 한다.
이와 같이 2차에 걸쳐서 열교환된 흡수제(11a)는 탈거탑(11)으로 입력되어 탈거탑(11)에서 높은 온도(110-140℃) 및 대기압 정도의 압력에서 재생이 수행된다. 이와 같은 고온의 재생 조건을 유지하기 위하여 열이 리보일러(12)로부터 공급되며, 이 과정에서 열에너지가 소모된다.
이와 함께, 제4 열교환기(24)는 리보일러(12)에서 사용한 스팀을 제3 기액분리장치(23)를 통해 얻어진 응축수를 이용하여 탈거탑(11)으로 입력된 흡수제(11a)와 열교환을 함으로써 재가열을 한다.
이와 같이 탈거탑(11)으로 공급되는 열에너지는 흡수제(11a)에 화학적으로 결합되어 있는 이산화탄소를 탈거시킨다.
이와 같이 흡수제(11a)로부터 탈거된 이산화탄소와 수증기의 혼합가스(11b)는 제1 열교환기(1)를 거쳐서 응축기(13)에서 응축되고, 제2 기액분리장치(15)에서 이산화탄소 가스와 응축수(11c)로 분리된 후, 응축수(11c)는 탈거탑(11)으로 다시 공급된다.
이산화탄소가 탈거된 재생 흡수제(11f)는 제4 기액분리장치(21)를 거쳐서 펌프(6)에 의해 제3 열교환기(16)로 공급되고, 냉각기(14)와 제2 필터(18)를 거쳐서 흡수탑(9)으로 이송된다.
본 발명의 제2 실시예에서는, 30wt%의 모노에탄올아민을 흡수제로 이용하여 이산화탄소인 15 vol%의 이산화탄소를 포함하고 있는 40℃로 조절된 연소배가스를 2.0m3유량으로 흡수탑(9)의 하부에 투입하였다. 흡수제의 순환량은 100ml/min, 흡수탑에 투입되는 흡수제의 온도는 40 ℃로 하였다. 그리고, 흡수탑(9)으로 들어오기 전과 흡수탑(9)을 거친 배가스의 이산화탄소 농도를 가스 분석기를 이용하여 측정하여 이산화탄소 제거율이 90%일 때의 이산화탄소 포집량(ton)당 리보일러(12)의 열사용량을 계산한 바, 냉각수 순환량이 425cc/mm일때 리보일러(12)의 열사용량은 3.38GJ/ton-CO2)이었다.
이와 같이 본 발명은 혼합가스로부터 이산화탄소를 분리 회수하는 공정에서 리보일러(12)에서 나오는 스팀 응축수 및 탈거탑(11)에서 나오는 고온 흡수제의 열을 활용하여 공정 효율을 향상시키는 두가지 공정흐름을 제안하였으며, 이를 통해 탈거탑(11)에 들어가는 흡수제의 주입 온도를 10~20℃까지 상승 가능하며, 탈거탑(11)의 온도를 높게 유지시킬 수 있어 보편적인 아민 흡수제의 이산화탄소 분리회수 시스템 보다 재생에너지 사용량 및 탈거탑(11)의 크기를 획기적으로 줄일 수 있다. 또한 탈거탑(11)의 상부의 수분 응축기 및 린 아민의 냉각에 사용되는 냉각수의 사용량도 획기적으로 줄일 수 있다. 따라서 이산화탄소 운전시 가장 많은 비중을 차지하는 재생에너지 비용을 줄이고 탈거탑(11)의 크기를 작게 설계할 수 있어 투자비를 줄일 수 있다.
1 : 제1 열교환기 2 : 제2 열교환기
9 : 흡수탑 11 : 탈거탑

Claims (10)

  1. 배가스의 이산화탄소를 흡수제와 결합시킴으로써 제거하는 흡수탑과,
    이산화탄소를 흡수한 흡수제를 일시적으로 저장하여 기-액 분리하는 제1 기액분리장치와,
    상기한 제1 기액분리장치로부터 공급되는 액체를 열교환하기 위한 제1 열교환기와,
    상기 제1 열교환기로부터 공급되는 흡수제를 열교환하기 위한 제3 열교환기와,
    열교환된 흡수제에 화학적으로 결합되어 있는 이산화탄소를 탈거시키기 위한 탈거탑과,
    탈거탑으로부터 배출되어 상기 제1 열교환기를 거치면서 상기 제1 기액분리장치로부터 공급되는 액체와 열교환한 뒤 입력되는 이산화탄소와 수증기의 혼합가스를 응축시키기 위한 응축기와,
    응축기에 연결되어 응축수를 분리해서 탈거탑으로 다시 공급하는 제2 기액분리장치와,
    탈거탑에 열에너지를 공급하는 리보일러와,
    상기한 리보일러에 연결되어 있는 제3 기액분리장치와,
    탈거탑으로 부터 이산화탄소가 탈거된 재생 흡수제를 기액분리하기 위한 제4 기액분리장치와,
    상기 제4 기액분리장치로부터 펌프에 의해 제3 열교환기를 거쳐서 공급되는 재생 흡수제를 흡수탑 수준의 온도로 낮추어서 흡수탑으로 공급하는 냉각기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 및 탈거 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 열교환기로부터 공급되는 흡수제를 열교환하기 위한 제2 열교환기를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 및 탈거 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    탈거탑의 흡수제를 재 가열해주기 위한 제4 열교환기를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 및 탈거 장치.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기한 제1 기액분리장치와 제1 열교환기의 사이에 설치되는 제1 필터를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 및 탈거 장치.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기한 냉각기와 흡수탑의 사이에 설치되는 제2 필터를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 및 탈거 장치.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기한 제1 열교환기는 이산화탄소를 흡수한 흡수제를, 탈거탑에서 수분과 함께 나오는 70 ℃ 이산화탄소를 이용하여 열교환을 하는 것을 특징으로 하는 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 및 탈거 장치.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기한 제2 열교환기는 이산화탄소를 흡수한 흡수제를, 리보일러에서 사용한 스팀을 제3 기액분리장치를 통해 얻어진 응축수를 이용하여 열교환을 하는 것을 특징으로 하는 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 및 탈거 장치.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기한 제3 열교환기는 이산화탄소를 흡수한 흡수제를, 탈거탑에서 나오는 고온의 재생 흡수제를 이용하여 제4 기액 분리장치를 거쳐서 열교환을 하는 것을 특징으로 하는 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 및 탈거 장치.
  9. 제 3항에 있어서,
    상기한 제4 열교환기는 탈거탑으로 입력된 흡수제를, 리보일러에서 사용한 스팀을 제3 기액분리장치를 통해 얻어진 응축수를 이용하여 열교환을 하는 것을 특징으로 하는 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 및 탈거 장치.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기한 흡수제는 아민계, 아미노산염, 무기염류 용액, 암모니아수 중에서 선택되는 어느 하나 또는 그 혼합을 사용하는 것을 특징으로 하는 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 및 탈거 장치.
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